[논문]Transfer Function Method를 이용한 자동차 연료탱크의 진동 피로 해석에 대한 연구

안상호

doi:10.22680/kasa2020.12.3.027

Transfer Function Method를 이용한 자동차 연료탱크의 진동 피로 해석에 대한 연구
Vibration Fatigue Analysis of Automotive Fuel Tank Using Transfer Function Method 원문보기

자동차안전학회지 = Journal of Auto-Vehicle Safety Association, v.12 no.3, 2020년, pp.27 - 33

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the process of predicting efficient durability performance for vibration durability test of automobile parts using vibration test load on automobile fuel tank is presented. First of all, the common standard load that can be applied to the initial development process of the automobile was used for the fuel tank and the vulnerability of the fuel tank to the vibration fatigue load was identified through frequency response analysis. In addition, the vulnerability of the fuel tank was re-enacted through vibration durability test results, and the scale factor was applied to the standard load. In order to predict the vibration durability performance required for detailed design, vibration fatigue analysis was performed on the developed vehicle with the frequency of vibration severity equivalent to the durability test, and the vulnerability and life span of the fuel tank were identified through the process of applying weights to these selected standard loads, thereby reducing the test time of the development vehicle.

주제어

표/그림 (13)

$Fig. 1 Process of vibration fatigue <TEX>$analysis^{(1)}$</TEX>$ 그림 Fig. 1 Process of vibration fatigue $analysis^{(1)}$
그림 Fig. 2 Finite element model of automobile fuel tank calculating vibration fatigue
그림 Fig. 3 Normalization precess of automobile conventional load for vibration fatigue
그림 Fig. 4 Signal normalization of vibration development load data
그림 Fig. 5 Signal measurement data of vibration fatigue load
그림 Fig. 6 Vibration fatigue results of welding part using test signal
그림 Fig. 7 Vibration fatigue results of canister bracket using test signal
그림 Fig. 8 Vibration fatigue results of baffle flange using test signal
그림 Fig. 9 PSD for measuring vibration load at test vehicle
표 Table 1 Damage index comparison at fuel tank component
그림 Fig. 10 Vibration fatigue results of welding part using standard normalizing signal
그림 Fig. 11 Vibration fatigue results of canister bracket using standard normalizing signal
그림 Fig. 12 Vibration fatigue results of baffle flange using standard normalizing signal

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자동차 연료 탱크에 대한 진동 시험하중을 이용하여 자동차 부품 진동 내구성 시험에 대한 효율적인 진동 내구성 성능 예측 과정을 제시한다. 초기 자동차 개발과정에서 적용할 수 있는 공통 표준하중을 이용하고 주파수 응답 분석 기법을 통해 진동 피로하중에 대한 연료탱크의 취약부를 확인한다.
본 연구에서는 차량 연료탱크의 진동 내구시험에 연료탱크의 진동 하중이력을 표준화하여 진동 하중을 적용한 진동내구 성능 예측방법을 제시하였다.

제안 방법

본 논문에서는 MSC. Fatigue를 이용하여 진동 하중에 대한 내구 지수를 계산하여 내구 지수가 가장 크게 나오는 취약부를 산출하였다.
본 논문에서는 MSC.Nastran을 사용하여 파워 스펙트럼 밀도를 입력하여 주응력 대 주파수를 계산한다.
진동 내구시험 결과를 통하여 자동차 연료탱크에 취약 부분을 재현하고, 표준하중에 스케일 계수를 적용하였다. 상세 설계 단계에 진입하기 위해 진동 내구성능을 예측해야 하며, 이때 내구시험과 동등 수준의 내구 가혹도를 발생시키는 진동수로 가진하여 개발차량 연료탱크에 대한 진동 피로해석을 수행한다.
상단부의 RBE 연결점에 이전 모델의 진동 시험하중을 입력하면 해석을 수행할 수 있다. 이전 모델의 해석 및 시험결과와 비교하여 취약부에 대한 재현성을 검토하고 각 차종별 계측 가속도 데이터를 분석하여 진동하중 표준화를 수행, 연료탱크의 내구수명을 계산한다.
이를 개발 차량에 적용할 수 있는 표준하중으로 정의하여 차량 부품에 대한 설계와 성능을 입증할 수 있다. 이후 개발과정에 따라 입증시험 결과와 비교하여 설계의 수정을 판단한다. Fig.
정적해석, 모드해석, 주파수 응답해석의 결과를 이용하고, 하중이력을 주파수 영역의 파워 스펙트럼 밀도 형태로 입력하여 산출된 파워 스펙트럼 밀도를 이용하여 확률밀도함수로 변환시켜 피로수명을 산출한다.
제시된 진동 내구해석 과정을 통해 가중치가 적용된 표준 진동하중과 주파수 응답해석기법을 적용하여 개발 차량 연료탱크의 취약부와 수명을 확인하였다. 선별된 하중에 가중치를 적용하면 개발차량에 시험시간과 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
초기 자동차 개발과정에서 적용할 수 있는 공통 표준하중을 이용하고 주파수 응답 분석 기법을 통해 진동 피로하중에 대한 연료탱크의 취약부를 확인한다. 진동 내구시험 결과를 통하여 자동차 연료탱크에 취약 부분을 재현하고, 표준하중에 스케일 계수를 적용하였다. 상세 설계 단계에 진입하기 위해 진동 내구성능을 예측해야 하며, 이때 내구시험과 동등 수준의 내구 가혹도를 발생시키는 진동수로 가진하여 개발차량 연료탱크에 대한 진동 피로해석을 수행한다.
본 논문에서는 자동차 연료 탱크에 대한 진동 시험하중을 이용하여 자동차 부품 진동 내구성 시험에 대한 효율적인 진동 내구성 성능 예측 과정을 제시한다. 초기 자동차 개발과정에서 적용할 수 있는 공통 표준하중을 이용하고 주파수 응답 분석 기법을 통해 진동 피로하중에 대한 연료탱크의 취약부를 확인한다. 진동 내구시험 결과를 통하여 자동차 연료탱크에 취약 부분을 재현하고, 표준하중에 스케일 계수를 적용하였다.
연료탱크의 진동 피로입증시험에서 baffle flange에서 피로파괴가 발생한다. 표준하중과 가중치를 적용했을 때 동일한 위치에서 내구지수의 차이가 5% 이내일 때 표준하중을 입력한 해석결과의 사용 여부를 판단하였다. Fig.

대상 데이터

손상을 주는 주파수의 영역이 좁거나 넓기 때문에 주파수 신호는 시험 데이터에 따라 10~20개를 선택한다. 상대적으로 넓은 고주파수는 3~5Hz 단위로 구분하여 주파수와 RMS 값의 순서쌍으로 뽑는다.

이론/모형

고객의 다양한 요구사항에 대응하여 빠른 개발주기는 제조사의 경쟁력으로 이어지고 있으며, 단축되는 차량개발 기한을 만족하기 위해 진동내구 해석으로 초기 개발 차량을 검증해야 한다. 진동 내구해석 방법은 과도 응답 해석과 주파수 응답 해석, 파워 스펙트럼 밀도 해석을 이용한다.
차량 개발 시간을 단축시키고 수명 요구도를 달성하기 위하여 혹독한 단품 및 차량 수명평가 시험을 수행해야 하며, 개발 리스크를 포함한 많은 시간과 비용이 발생된다. 해석 및 평가기술이 발전함에 따라 개발 초/중기 단계에서 내구성능을 예측하기 위해 가상 내구해석(virtual durability analysis)을 이용한다⁽¹⁾. 고객의 다양한 요구사항에 대응하여 빠른 개발주기는 제조사의 경쟁력으로 이어지고 있으며, 단축되는 차량개발 기한을 만족하기 위해 진동내구 해석으로 초기 개발 차량을 검증해야 한다.

성능/효과

입력된 표준하중은 내구시험과 동일한 내구 가혹도를 발생시키는 진동수에 120%의 비율로 추가 가진하는 시험 조건이다. 표준하중이 적용된 개발 차량에서 내구지수는 welding part와 canister bracket에서는 수명이 감소하고 baffle flange은 동일 하단부에서는 2.2%의 수명이 감소한 결과가 나온 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동 피로해석을 이용한 수명 예측은 어떠한 방법인가?	진동 피로해석을 이용한 수명 예측은 Fig. 1과 같이 일반적으로 진동계에 가해지는 가진력과 응답응력을 시간영역에서 분석하고 누적된 사이클을 입력하여 피로 수명을 예측하는 방법이다[1]. 불규칙 진동 환경에서 작동하는 부품에 대한 피로 손상 평가는 반응 응력 PSD(파워 스펙트럼 밀도) 함수의 통계 속성을 기반으로 하는 진동수 영역에서 진행되며 다양한 도로 표면 프로파일에서 작동하는 자동차 엔진과 같이 불규칙 하중 형식일 경우 피로 수명은 진동수 영역에서 평가한다.
	Dirlik 방법은 광대역 영역에서 어떤 방식 보다 우수하다는 것이 증명되었는가?	Rayleigh 확률 밀도 두 개와 지수를 서로 조합하고 사이클 진폭 분포를 근사화시킬 수 있다. Dirlik Method는 광대역 영역에서 Narrow Band 방식보다 우수함이 입증되었다. 식 (3)은 확률밀도 함수 p(s)로 m0, m1, m2, 및 m4 변수로 구성되어 있으며 PSD(power spectrum dendity)에서 계산되는 면적 모멘트를 계산할 수 있다.
	진동 내구해석 방법은 어떤 해석을 이용하는가?	고객의 다양한 요구사항에 대응하여 빠른 개발주기는 제조사의 경쟁력으로 이어지고 있으며, 단축되는 차량개발 기한을 만족하기 위해 진동내구 해석으로 초기 개발 차량을 검증해야 한다. 진동 내구해석 방법은 과도 응답 해석과 주파수 응답 해석, 파워 스펙트럼 밀도 해석을 이용한다.

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T. Dirlik, 1985, "Application of computers in fatigue analysis. Ph.D. thesis", The University of Warwick.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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